Rijst. 16.10.

Het fundamentele verschil tussen CMOS-circuits en nMOS-technologie is de afwezigheid van actieve weerstanden in het circuit. Op elke ingang van het circuit is een paar transistors met een ander type kanaal aangesloten. Transistoren met een p-type kanaal zijn door het substraat met de stroombron verbonden, dus de vorming van een kanaal daarin zal plaatsvinden wanneer het potentiaalverschil tussen het substraat en de poort voldoende groot is en de potentiaal aan de poort negatief moet zijn ten opzichte van het substraat. Deze toestand wordt verzekerd door aardpotentiaal op de poort aan te leggen (d.w.z. logisch 0). Transistors met een n-type kanaal zijn door het substraat met aarde verbonden, dus de vorming van een kanaal daarin zal plaatsvinden wanneer een stroombronpotentiaal op de poort wordt aangelegd (dat wil zeggen logisch 1). Het gelijktijdig toepassen van een logische nul of een logische één op dergelijke paren transistors met verschillende soorten kanalen leidt tot het feit dat één transistor van het paar noodzakelijkerwijs open zal zijn en de andere gesloten. Er worden dus voorwaarden gecreëerd voor het aansluiten van de uitgang op een stroombron of op aarde.

Dus in het eenvoudigste geval zal voor het invertercircuit (Fig. 16.10) bij A = 0 transistor VT1 open zijn en VT2 gesloten. Bijgevolg zal de uitgang van circuit F via kanaal VT1 worden verbonden met de stroombron, wat overeenkomt met de logische één toestand: F=1. Bij A=1 zal transistor VT1 gesloten zijn (de poort en het substraat hebben dezelfde potentiaal) en zal VT2 open zijn. Daarom zal de uitgang van circuit F via het kanaal van transistor VT2 met aarde worden verbonden. Dit komt overeen met een logische nultoestand: F=0.

Logische optelling (Fig. 16.11) wordt uitgevoerd door de p-kanalen van transistors VT1 en VT2 in serie te verbinden. Wanneer er tenminste één unit wordt geleverd, ontstaat er voor deze transistoren geen enkel kanaal. Tegelijkertijd wordt, dankzij de parallelle aansluiting van VT3 en VT4, de overeenkomstige transistor aan de onderkant van het circuit geopend, waardoor de verbinding van uitgang F met aarde wordt verzekerd. Het blijkt dat F=0 is als er minstens één logische 1 wordt toegepast - dit is de OR-NOT-regel.

Rijst. 16.11.

De NAND-functie wordt uitgevoerd via een parallelle aansluiting van VT1 en VT2 in het bovenste deel van het circuit en een seriële aansluiting van VT3 en VT4 in het onderste deel (Fig. 16.12). Als er nul wordt toegepast op ten minste één ingang, zal er geen enkel kanaal op VT3 en VT4 worden gevormd, maar zal de uitgang worden losgekoppeld van aarde. Tegelijkertijd zal ten minste één transistor in het bovenste deel van het circuit (op de poort waarvan een logische nul wordt toegepast) zorgen voor een verbinding van de uitgang F met de stroombron: F = 1 wanneer ten minste één nul wordt toegepast - de EN-NIET-regel.

Rijst. 16.12.

Korte samenvatting

Afhankelijk van de elementbasis zijn er verschillende IC-productietechnologieën. De belangrijkste zijn TTL op bipolaire transistors en nMOS en CMOS aan veldeffecttransistors.

Sleutelbegrippen

nMOS-technologie veldeffecttransistors met een n-type geïnduceerd kanaal.

3-statusbuffer– het uitgangsgedeelte van het TTL-circuit, dat de mogelijkheid biedt tot overgang naar de derde, hoogohmige toestand.

CMOS-technologie- IC-productietechnologie gebaseerd op veldeffecttransistors met kanalen met beide soorten elektrische geleidbaarheid.

Open verzamelaar– een optie om het buffergedeelte van TTL-elementen zonder weerstand in het belastingscircuit te implementeren, dat buiten het circuit wordt verwijderd.

Resistieve belastingcircuits– TTL-circuits waarbij de toestand van het buffercircuit wordt bepaald door de toestand van niet één, maar twee transistors.

Transistor-transistorlogica– technologie voor de productie van IC's op basis van bipolaire transistors.

Geaccepteerde afkortingen

CMOS – complementair, metaal, oxide, halfgeleider

Oefenset

Oefeningen voor hoorcollege 16

Oefening 1

Optie 1 voor oefening 1 Teken een circuit van een NOR-element met 3 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Optie 2 voor oefening 1 Teken een circuit van een NAND-element met 3 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Optie 3 voor oefening 1 Teken een circuit van een NOR-element met 4 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Oefening 2

Optie 1 voor oefening 2 Teken een circuit van een NOR-poort met 3 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Optie 2 voor oefening 2 Teken een circuit van een NAND-poort met 3 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Optie 3 voor oefening 2 Teken een circuit van een NOR-poort met 4 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Oefening 3

Optie 1 voor oefening 3 Teken een circuit van een NOR-element met 3 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Optie 2 voor oefening 3.Teken een diagram van een NAND-element met 3 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Optie 3 voor oefening 3 Teken een circuit van een NOR-element met 4 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Oefening 4

Optie 1 voor oefening 4.Teken een circuit van een OR-element met 3 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Optie 2 voor oefening 4.Teken een circuit van een EN-element met 3 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Optie 3 voor oefening 4.Teken een circuit van een OR-element met 4 ingangen met behulp van nMOS-technologie.

Oefening 5

Optie 1 voor oefening 5 Teken het circuit van een OF-poort met 3 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Optie 2 voor oefening 5.Teken een schakelschema van een EN-element met 3 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Optie 3 voor oefening 5 Teken het circuit van een OF-poort met 4 ingangen met behulp van CMOS-technologie.

Oefening 6

Optie 1 voor oefening 6.Teken een circuit van een OR-element met 3 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Optie 2 voor oefening 6.Teken een circuit van een EN-element met 3 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Optie 3 voor oefening 6.Teken een circuit van een OF-element met 4 ingangen met behulp van TTL-technologie.

Oefening 7

Optie 1 voor oefening 7.Teken een diagram van een 2I-OR-NOT-element met behulp van TTL-technologie.

Optie 2 voor oefening 7.Teken een diagram van een 2I-OR-NOT-element met behulp van CMOS-technologie.

Optie 3 voor oefening 7.Teken een diagram van een 2AND-OR-NOT-element met behulp van nMOS-technologie.

Oefening 8

Optie 1 voor oefening 8 Teken een circuit van een NOR-poort met 3 ingangen en een buffer met 3 toestanden.

Optie 2 voor oefening 8 Teken het circuit van een NAND-poort met 3 ingangen en een open collector.

Optie 3 voor oefening 8 Teken een circuit van een OF-poort met 3 ingangen en een buffer met 3 toestanden.

Het belangrijkste algemene kenmerk van TTL is het gebruik van bipolaire transistors, en de structuur is alleen p-p-p. CMOS is, zoals de naam al aangeeft, gebaseerd op veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort van de MOS-structuur, en complementair, dat wil zeggen van beide polariteiten - beide met een w- en een /^-kanaal. Het circuitontwerp van fundamentele TTL- en CMOS-logische elementen wordt getoond in Fig. 15.1. In het Westen worden ze ook wel kleppen genoemd - aan het einde van het hoofdstuk zullen we zien hoe deze naam gerechtvaardigd kan worden.

We hebben de multi-emitter TTL-transistor met ingang al getekend in hoofdstuk I - deze kan zoveel emitters hebben als je wilt (in de praktijk maximaal acht), en het element zal dan het overeenkomstige aantal ingangen hebben. Als een van de emitters van transistor VT1 wordt kortgesloten met aarde, zal de transistor openen en zal de faseverschuivende transistor VT2 (de werking ervan kennen we uit figuur 6.8) sluiten. Dienovereenkomstig zal de uitgangstransistor VT3 openen en VT4 sluiten, de uitgang zal een hoog logisch niveau hebben, of een logisch niveau één. Als alle emitters zijn aangesloten op een hoog potentieel (of gewoon in de lucht "hangen"), dan zal de situatie het tegenovergestelde zijn: VT2 zal openen met stroom door de basis-collectorovergang VT1 (dit inschakelen van de transistor wordt genoemd “inverse”), en de uitgang wordt op nul gezet vanwege de open transistor VT4. Zo'n TTL-element zal de functie "AND-NOT" uitvoeren (logische nul aan de uitgang alleen als alle ingangen één zijn).

TTL

De eindtrap van het TTL-element is een soort complementaire (“push-pull”) klasse B-trap, bekend van analoge versterkers (zie figuur 8.2). Het reproduceren van pnp-transistors bleek echter te moeilijk voor TTL-technologie, daarom wordt een dergelijke cascade ook pseudo-complementair genoemd: de bovenste transistor VT3 werkt in de emittervolgermodus en de onderste werkt in een gemeenschappelijk emittercircuit.

Rijst. 15.1. Circuits van basis TTL- en CMOS-elementen

Overigens merken we op dat vanwege de onbeschikbaarheid van p-w-p-transistors, het reproduceren van het “OR”-circuit voor TTL-technologie een moeilijke noot bleek te zijn om te kraken, en dat het circuitontwerp behoorlijk verschilt van dat getoond in Fig. 15.1 basisschema van het “EN-NIET”-element.

Aantekeningen in de marges

In de begindagen van de transistortechnologie werden pseudo-complementaire trappen gebruikt, vergelijkbaar met de TTL-eindtrap - oh horror! - om het geluid te verbeteren. Deze constructie gaf aanleiding tot talloze pogingen om logische elementen, die in wezen een versterker zijn met een vrij grote (enkele tientallen) versterking, aan te passen om analoge signalen te versterken. Het behoeft geen betoog dat de resultaten behoorlijk desastreus waren, zelfs met het CMOS-element, dat veel symmetrischer is opgebouwd.

Zoals uit het diagram blijkt, is het TTL-element aanzienlijk asymmetrisch in zowel de ingangen als de uitgangen. Aan de ingang moet de logische nulspanning vrij dicht bij aarde liggen; wanneer de spanning aan de emitter ongeveer 1,5 V bedraagt ​​(bij een standaard TTL-voeding van 5 V), is de ingangstransistor al uitgeschakeld. Bovendien is het bij het toepassen van nul noodzakelijk om de verwijdering van een vrij aanzienlijke basis-emitterstroom te garanderen - ongeveer 1,6 mA voor een standaardelement. Daarom is voor TTL-elementen altijd het maximale aantal van dergelijke andere elementen dat tegelijkertijd op de uitgang is aangesloten. gespecificeerd (standaard - niet meer dan een dozijn). Tegelijkertijd wordt er mogelijk helemaal geen logische ingang aan de ingangen geleverd. In de praktijk zou het echter moeten worden geleverd - volgens de regels moeten ongebruikte TTL-ingangen via weerstanden van 1 kOhm op de voeding worden aangesloten.

Aan de uitgang is het nog erger: de logische nulspanning wordt geleverd door een open transistor en ligt inderdaad vrij dicht bij nul - zelfs met een belasting in de vorm van een tiental ingangen van andere soortgelijke elementen overschrijdt deze de 0,5 V niet, en de normen voor een TTL-signaal schrijven een waarde voor van niet meer dan 0,8 V. Maar de spanning van de logische eenheid ligt vrij ver van de voeding en is bij een voeding van 5 V in het beste geval (onbelast) van 3,5 tot 4 V, maar in de praktijk schrijven de normen een waarde van 2,4 V voor.

Dit balanceren van tienden van een volt (nulspanning 0,8 V, schakeldrempelspanning van 1,2 naar 2 V, eenheidsspanning 2,4 V) leidt ertoe dat alle TTL-microcircuits kunnen werken in een vrij smal bereik van voedingsspanningen - bijna van 4,5 tot 5,5 V, velen zelfs van 4,75 tot 5,25 V, dat is 5 V ±5%. De maximaal toegestane voedingsspanning voor verschillende TTL-series ligt tussen 6 en 7 V, en wanneer deze wordt overschreden, branden ze meestal met een heldere vlam. Een lage en asymmetrische waarde ten opzichte van de voedingsdrempel van het element leidt ook tot een slechte immuniteit tegen ruis.

Het grootste (en zelfs ernstiger dan de andere) nadeel van TTL is het hoge verbruik - tot 2,5 mA per dergelijk element, dit houdt geen rekening met de stromen aan de ingang en het belastingsverbruik aan de uitgang. Je moet je dus afvragen waarom TTL-chips die veel basiselementen bevatten, zoals tellers of registers, geen koelradiator nodig hebben. De combinatie van lage ruisimmuniteit met een hoog verbruik is een nogal explosief mengsel, en bij bedradingsborden met TTL-microcircuits moet je in elke behuizing een ontkoppelcondensator installeren. Al het bovenstaande samen zou ons al lang geleden hebben gedwongen de TTL-technologie helemaal achterwege te laten, maar tot enige tijd hadden ze één onmiskenbaar voordeel: hoge prestaties, die voor het basiselement in de vorm getoond in Fig. 15.1, kan tientallen megahertz bereiken.

Vervolgens verliep de ontwikkeling van TTL langs de lijnen van het verminderen van het verbruik en het verbeteren van de elektrische eigenschappen, voornamelijk door het gebruik van de zogenaamde. Schottky-juncties, waarop de spanningsval 0,2-0,3 V kan zijn in plaats van de gebruikelijke 0,6-0,7 V (TTLSh-technologie, aangeduid met de letter S in de naam van de serie, de binnenlandse analoog is de 531- en 530-serie). De basistechnologie die de basis vormde van de 74-serie, wijdverbreid in de jaren zestig en zeventig, zonder extra letters in de aanduiding (analogen zijn de beroemde binnenlandse series 155 en 133), wordt nu praktisch niet gebruikt. TTL-chips kunnen nu worden geselecteerd uit de energiezuinige 74LSxx-serie (555- en 533-serie) of de snelle 74Fxx-serie (1531-serie). Bovendien is het verbruik van de laatste vrijwel gelijk aan het verbruik van de oude basisserie bij hogere (tot 125 MHz) snelheid, maar bij de eerste is het andersom: de prestaties blijven op het basisniveau, maar het stroomverbruik wordt drie tot vier keer verminderd.

CMOS

CMOS-elementen komen veel dichter bij het idee van wat een ideaal logisch element zou moeten zijn. Om te beginnen, zoals blijkt uit Fig. 15.1 zijn ze praktisch symmetrisch, zowel qua invoer als uitvoer. De open veldeffecttransistor aan de uitgang (ofwel /?-type voor een logische één, ofwel -type voor een logische nul) is in feite, zoals we weten.

gewoon weerstand, die voor conventionele CMOS-elementen van 100 tot 300 Ohm kan zijn (met "conventionele" of "klassieke" CMOS bedoelen we hier de 4000A- of 4000B-serie, zie hieronder). Voor extra symmetrie worden meestal twee omvormers, vergelijkbaar met die getoond in Fig., in serie aan de uitgang geplaatst. 15.1 aan de rechterkant (is het misschien jammer voor transistors als het verbruik niet toeneemt?). Daarom wordt de uitvoer niet beïnvloed door het feit dat er in de onderarm voor het "AND-NOT" -circuit twee van dergelijke transistoren in serie staan.

Voor het "OF" -circuit zullen dergelijke transistors zich in de bovenarm bevinden - het is volledig symmetrisch ten opzichte van het "AND" -circuit, wat ook een pluspunt is van CMOS-technologie vergeleken met TTL. Houd er ook rekening mee dat de uitgangstrap van de omvormer niet is gebouwd volgens een "push-pull"-trapcircuit, dat wil zeggen dat dit geen stroomspanningsvolgers zijn, maar transistors in een circuit met een gemeenschappelijke bron, verbonden door drains, waardoor u een extra spanningsversterking verkrijgen.

In de praktijk leiden de ontwerpkenmerken van het element ertoe dat in CMOS-microschakelingen:

Aan de onbelaste uitgang is de logische één-spanning bijna gelijk aan de voedingsspanning, en de logische nul-spanning is bijna gelijk aan de aardpotentiaal;

De schakeldrempel ligt dicht bij de helft van de voedingsspanning;

De ingangen verbruiken vrijwel geen stroom, aangezien het geïsoleerde poorten van MOS-transistors zijn;

In de statische modus verbruikt het hele element ook geen stroom van de voeding.

Uit het laatste punt volgt dat een circuit van enige mate van complexiteit, gebouwd met behulp van CMOS-elementen, in een "bevroren" toestand en zelfs bij lage werkfrequenties, niet meer dan een dozijn of twee kilohertz, vrijwel geen energie verbruikt! Vanaf hier wordt duidelijk hoe trucs als polshorloges, die jarenlang op een kleine batterij kunnen werken, of de slaapmodus van microcontrollers, waarin ze 1 tot 50 μA verbruiken voor alle tienduizenden logische elementen waaruit ze bestaan, mogelijk werd.

Een ander gevolg van de bovengenoemde kenmerken is een uitzonderlijke ruisimmuniteit, waarbij de helft van de voedingsspanning wordt bereikt. Maar dat zijn niet alle voordelen. CMOS-microschakelingen uit de "klassieke" serie kunnen werken in het voedingsspanningsbereik van 2 tot 18 V, en moderne hogesnelheidsmicroschakelingen - van 2 tot 7 V. Het enige dat in dit geval gebeurt is

Wanneer de stroomvoorziening behoorlijk sterk daalt, nemen de prestaties af en gaan sommige andere kenmerken achteruit.

Bovendien werken CMOS-uitgangstransistors, net als alle andere veldeffecttransistoren, als stroombronnen bij overbelasting (bijvoorbeeld in kortsluitmodus) - bij een voedingsspanning van 15 V zal deze stroom ongeveer 30 mA zijn, bij 5 V - ongeveer 5 mA. Bovendien kan dit in principe de werkingsmodus van dergelijke elementen op de lange termijn zijn; het enige dat moet worden gecontroleerd, is of de waarde van de totale toegestane stroom door het uitgangsvermogen, die gewoonlijk ongeveer 50 mA bedraagt, niet gelijk is. overschreden. Dat wil zeggen dat u mogelijk het aantal uitgangen moet beperken dat tegelijkertijd is aangesloten op een belasting met lage impedantie. Uiteraard wordt er in deze modus niet gesproken over logische niveaus, alleen over de inkomende of uitgaande stroom.

En hier komen we bij het grootste nadeel van de “klassieke” CMOS-technologie: lage prestaties vergeleken met TTL. Dit komt door het feit dat de geïsoleerde poort van de MOS-transistor een condensator is met een vrij grote capaciteit - in het basiselement tot 10-15 pF. Samen met de uitgangsweerstandsimpedantie van het vorige circuit vormt een dergelijke condensator een laagdoorlaatfilter. Meestal wordt niet alleen rekening gehouden met de frequentie-eigenschappen, maar ook met de vertragingstijd van de signaalvoortplanting naar één logisch element. De vertraging treedt op vanwege het feit dat de voorkant van het signaal niet strikt verticaal is, maar schuin staat, en dat de uitgangsspanning pas begint te stijgen (of dalen) wanneer de ingangsspanning al een significante waarde heeft bereikt (idealiter de helft van de voedingsspanning). spanning). De vertragingstijd kon in vroege CMOS-series 200-250 ns bereiken (vergelijk: de basis-TTL-serie heeft slechts 7,5 ns). In de praktijk bedraagt ​​de maximale werkfrequentie van "klassieke" CMOS bij een voedingsspanning van 5 V niet meer dan 1-3 MHz; probeer een rechthoekige signaalgenerator te bouwen met behulp van logische elementen met behulp van een van de circuits die in hoofdstuk 16 worden besproken , en je zult zien dat de golfvorm al bij een frequentie van 1 MHz op een sinusgolf zal lijken in plaats van op een rechthoek.

Een ander gevolg van de aanwezigheid van een hoge ingangscapaciteit is dat bij het schakelen een stroompuls deze capaciteit lijkt op te laden, dat wil zeggen: hoe hoger de werkfrequentie, hoe meer de microschakeling verbruikt, en er wordt aangenomen dat bij maximale werkfrequenties het verbruik ervan kan worden vergeleken met het verbruik van TTL (tenminste TTL-serie 74LS). De zaak wordt nog verergerd door het feit dat het element, als gevolg van langdurige pulsfronten, geruime tijd in een actieve toestand blijft wanneer beide uitgangstransistoren enigszins open zijn (dat wil zeggen dat het zogenaamde "doorstroomeffect" optreedt). .

Deze zelfde aanscherping van de fronten in combinatie met een hoogohmige ingang leidt tot een afname van de ruisimmuniteit bij het schakelen - als hoogfrequente interferentie aan het signaalfront "zit", kan dit leiden tot meervoudig schakelen van de uitgang, zoals bij de geval met een comparator (zie hoofdstuk 13). Om deze reden geven specificaties voor microschakelingen vaak de gewenste maximale duur van de flanken van het stuursignaal aan.

In moderne CMOS zijn echter, in tegenstelling tot de ‘klassieke’, de meeste nadelen die gepaard gaan met lage prestaties overwonnen (zij het ten koste van het verkleinen van het toegestane voedingsbereik). Meer details over de CMOS-serie worden hieronder beschreven, maar voor nu nog een paar woorden over de kenmerken van deze microschakelingen.

De ongebruikte ingangen van het CMOS-element moeten ergens worden aangesloten - met aarde of met stroom (er zijn geen weerstanden nodig, omdat de ingang geen stroom verbruikt), of gecombineerd met een aangrenzende ingang - anders zal interferentie bij zo'n hoogohmige ingang optreden. de werking van het circuit volledig verstoren. Om het verbruik te verminderen, moet dit bovendien ook worden gedaan met betrekking tot ongebruikte elementen in hetzelfde geval (maar natuurlijk niet voor alle ongebruikte terminals). De "kale" CMOS-ingang kan, vanwege zijn hoge weerstand, ook de oorzaak zijn van een verhoogde "sterfte" van chips bij blootstelling aan statische elektriciteit, maar in de praktijk worden de ingangen altijd overbrugd met diodes, zoals weergegeven in Fig. 11.4. De toegestane stroom door deze diodes staat ook vermeld in de specificaties.

Voor het ontwerpen van digitale IC's worden naast bipolaire pnp- en pnp-transistors ook unipolaire veldeffect- en kanaaltransistors gebruikt (Fig. 5.17a), die MOS-transistors worden genoemd (MOS-transistors; MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - metal- oxide-halfgeleider). Over het algemeen heeft een veldeffecttransistor vier elektroden: source S (Source), drain D (Drain), gate G (Gate) en substraat SS (Substrate). De poortterminal in het FET-beeld wordt dichter bij de bronterminal verschoven. Het kanaalbeeld met een verrijkte stippellijn symboliseert de afwezigheid van geleiding tussen drain en source bij een poort-source-spanning van nul. In afb. 5.17, en de symbolen "+" en "-" geven de polariteit aan van de spanningen op de elektroden voor de normale werking van de veldeffecttransistor. Het substraat wordt meestal aangesloten op de bron of op een van de polen van de voeding.

In afb. 5.17.6 toont een circuit voor het aansluiten van een paar complementaire transistors (transistors met verschillende soorten kanalen), wat een elektronische schakelaar is - omvormer (LE NOT). Een kenmerk van deze schakelaar is de afwezigheid van stroom door de transistors in een statische toestand, omdat bij elke waarde van het ingangssignaal een van de in serie geschakelde transistors gesloten is. De schakelaar verbruikt alleen stroom als hij wordt geschakeld tijdens het tijdsinterval waarin het ingangssignaal verandert. Op dit interval beide transistoren

open, omdat het ingangssignaal waarden heeft, leidt dit tot spanningsverschillen tussen de poorten en bronnen van de -kanaaltransistors, aanzienlijk verschillend van nul. De grootste stroom vloeit bij

Veldeffecttransistoren maken het mogelijk om niet alleen digitale, maar ook analoge schakelaars te bouwen voor het schakelen van bipolaire analoge signalen, wat niet mogelijk is met bipolaire transistors. In afb. 5.17,c toont het belangrijkste element van zo'n analoge schakelaar (in plaats van het aardpotentiaal voor het schakelen van bipolaire signalen moet er een negatieve spanning worden aangelegd. Bij waarden zijn beide transistors gesloten (de weerstand van de private sleutel is roterend; de sleutel is open, en wanneer een van de transistors opent, afhankelijk van de polariteit van de geschakelde ingangsspanning. In dit geval varieert de weerstand tussen de schakelpolen van eenheden tot honderden ohm, afhankelijk van het type (de weerstand van de open poort). schakelaar), hoe lager de afhankelijkheid van de spanning van het geschakelde signaal, hoe hoger de lineariteit van de schakelaar. Bij het ontwerpen van analoge schakelaars worden maatregelen genomen om de in- en uitgang van de analoge schakelaar te verbeteren de pool zijn van de schakelaar waarop het geschakelde signaal wordt toegepast.

Er zijn drie belangrijke technologieën ontwikkeld voor de productie van veldeffecttransistor-IC's:

MOS-technologie (n-MOS-technologie),

MOS-technologie p-MOS-technologie),

CMOS-technologie CMOS-technologie; CMOS - Complementaire MOS).

Al deze technologieën worden voortdurend verbeterd om de snelheid en mate van integratie van elementen op de chip te vergroten. Tot op heden zijn enkele tientallen van deze technologieën ontwikkeld.

CMOS IC-circuitontwerp. De eerste CMOS IC-serie werd door het bedrijf ontwikkeld in 1968, daarna werd een serie uitgebracht, die later werd vervangen door een serie met verbeterde kenmerken. Deze IC-series worden door veel buitenlandse bedrijven geproduceerd, bijvoorbeeld serieseries, enz. Algemeen

Het nadeel van IC's uit al deze series is hun lage snelheid (signaalvertragingstijd bereikt honderden milliseconden) en lage waarden van uitgangsstromen.

In 1981 ontwikkelden Motorola en National Semiconductor serie-IC's die qua fysieke parameters dicht bij series liggen. Met name de prestaties van deze CMOS- en TTL-series zijn hetzelfde (de gemiddelde poortvertragingstijd is dat niet). Nog betere prestaties werden bereikt in de CMOS-serie die in 1985 werd ontwikkeld door Texas Instruments Inc. (). De positieve eigenschappen van zowel TTL IC's als CMOS IC's werden door het bedrijf geïmplementeerd in de VST-serie IC's (1987), vervaardigd met behulp van BiCMOS-technologie - een technologie waarbij bipolaire en CMOS-transistors op dezelfde chip worden geplaatst met niveaus van input- en output-IC-signalen compatibel met TTL-niveaus).

In tabel 5.9 toont de overeenkomst tussen binnenlandse en buitenlandse series CMOS IC's. De voedingsspanning van een CMOS IC kan binnen ruime grenzen worden gevarieerd: hoe hoger de voedingsspanning, hoe sneller het IC zal werken. In termen van uitgevoerde functies en (of) pinnummering verschillen IC's uit de 4000-serie meestal van TTL IC's met vergelijkbare functionele doeleinden. Het functionele bereik van de IC-serie omvat een deel van de IC's van zowel de TTL 54/74-serie als de CMOS-serie met dezelfde nummers (in al deze series hebben ze hetzelfde functionele doel en dezelfde pinnummering).

In afb. 5.18, a toont de diodebeschermingscircuits van de in- en uitgangen van de LE tegen elektrostatische spanning voor de IC-serie a in Fig. 5.18.6 - voor IC-series Alle digitale IC's hebben een dergelijke bescherming van in- en uitgangen, behalve spanningsniveauomvormers die een andere versie van ingangsbescherming gebruiken (Fig. 5.19). Met de eerste versie van ingangsbeveiliging mogen de ingangssignaalniveaus de voedingsspanning niet overschrijden vanwege het openen van de diode die is aangesloten tussen de ingang en de pool waarde zonder het IC te beschadigen (overmatige spanning wordt gedoofd door een weerstand). In dit geval fungeert het IC als een logische 1 step-down-omzetter. Het ingangscircuit biedt ook bescherming tegen negatieve ingangsspanningen. IN

(zie scan)

Hieronder worden de ingangs- en uitgangsbeveiligingscircuits in de regel niet getoond.

Het verschil tussen de series (Fig. 5.19,a) en (Fig. 5.19,6) is de aanwezigheid van extra buffers aan de uitgangen van het IC van laatstgenoemde om het IC te ontkoppelen van de externe omgeving. In plaats van de serie wordt momenteel een serie met ongebufferde uitgangen geproduceerd, die vergelijkbare elektrische parameters heeft (UB - ongebufferd, B - gebufferd). De aanwezigheid van extra uitgangsbuffers in de CD40005-serie leidt tot een toename van de signaalvertragingen in de LE, maar verbetert de schakelkarakteristieken. Vergelijkende kenmerken van deze series worden gegeven in de tabel. 5.10.

Tabel 5.10. (zie scan) Parameters van de IC's uit de CD4000B- en CD4000UB-serie

De implementatie van de analoge schakelaar wordt getoond in Fig. 5.20. Wanneer de signaalwaarde OE = 1 (OE - Output Enable) is, is de sleutel open en wanneer is deze gesloten. In gesloten toestand wordt de schakelaar gekenmerkt door een hoge uitgangsimpedantie en gebruikelijk is om te zeggen dat de uitgang zich in de Z-toestand bevindt. In plaats van

aardpotentiaal, kunt u een negatieve spanning aanleggen, maar dan moet aan de voorwaarde worden voldaan

Het circuit met twee ingangen wordt getoond in Fig. 5.21. De uitgangstrap op twee complementaire transistoren is een buffertrap, aangezien deze alle interne verbindingen isoleert van de uitgang van de LE. Het verschil tussen de ongebufferde en gebufferde series is duidelijk zichtbaar in Fig. 5.22, waar ze worden gepresenteerd die dezelfde functies uitvoeren. Een ander circuitontwerp van LE 2I-NE wordt getoond in Fig. 5.23.

Een universele set elementen, bestaande uit twee complementaire paren MOS-transistors en een inverter, is geïmplementeerd in (Fig. 5.24). Met deze kit kan de gebruiker externe IC-pinverbindingen gebruiken om analoge schakelaars te verkrijgen

analoge tweekanaalsschakelaar (Fig. 5.25) - pinnen 2 en 9 zijn verbonden; 4 en 11; 3 en 6; 8, 10 en 13; 1, 5 en 12;

drie omvormers - sluit pinnen 2, 11 en 14 aan; 4, 7 en 9; 8 en 13 (uitgang NIET met ingang 6); 1 en 5 (uitgang NIET met ingang 3); 10 - ingangsuitgang NIET;

3OF-NIET - sluit pinnen 4, 7 en 9 aan; en 11; 5, 8 en 12 (LE-uitgang met ingangen 3, 6 en 10);

3I-NIET - sluit pinnen 2, 11 en 14 aan; 4 en 8; 5 en 9; 1, 12 en 13 (LE-uitgang met ingangen 3, 6 en 10);

LE, die de functie van het verbinden van pinnen 2 en 14 implementeert; 4, 8 en 9; 1 en 11; 5, 12 en 13 (uitvoer

LE, die de functie van het verbinden van pinnen 2 en 14 implementeert; 7 en 9; 4 en 8; 1, 11 en 13; 5 en 12 (uitvoer;

omvormer met Z-state-uitgang die de functie uitvoert

At- en Z-uitgangsstatus op aansluitpennen 8, 11 en 13;

Vergeleken met TTL-IC's moeten de volgende voordelen van de CMOS-IC's uit de 4000-serie (561- en 1561-serie) worden opgemerkt:

laag stroomverbruik in het frequentiebereik tot (in statische modus is het stroomverbruik per klep);

groot bereik aan voedingsspanning; u kunt een ongestabiliseerde voeding gebruiken; zeer hoge ingangsimpedantie (hoge belastbaarheid bij frequenties tot

lage afhankelijkheid van kenmerken van temperatuur. Nadelen van de CMOS IC's uit de 4000-serie (561- en 1561-serie) zijn onder meer:

verhoogde uitgangsweerstand (0,5 ... 1 kOhm); grote invloed van belastingscapaciteit en voedingsspanning op vertragingstijd, flankduur en stroomverbruik;

lange vertragingstijden en duur van fronten; breed scala aan alle parameters.

De grafieken van vermogensdissipatie versus frequentie voor CMOS- en TTL-IC's kruisen elkaar op een bepaalde frequentie, aangezien het dynamische vermogen van TTL-IC's zeer weinig afhangt van de schakelfrequentie. Bij de maximaal toegestane frequenties is het stroomverbruik van een CMOS IC van dezelfde orde als dat van een TTL IC.

In de statische modus (zonder overbelasting) verschillen de uitgangssignaalniveaus van een CMOS IC aanzienlijk van de niveaus van een CMOS IC, in tegenstelling tot typische waarden voor ingangssignaalniveaus V voor TTL BC. Dit veroorzaakt bepaalde problemen bij het gebruik van TTL en niveau in één apparaat.

Methoden voor het coördineren van niveaus worden besproken in § 5.6.

De serie produceert twee typen CMOS IC's: series die niet op de ingang zijn afgestemd met TTL IC's, en series die op de ingang zijn afgestemd op TTL IC's (die geen extra niveauconversie vereisen). Deze series verschillen in de implementatie van de ingangs- en uitgangscircuits van het IC, getoond in Fig. 5.26, en voor de IC-serie in Fig. 5.26, b - voor de IC-serie in Fig. 5.27 - voor IC-series en in Fig. 5.28 - voor IC-series Schakeldrempels voor IC-series liggen tussen , en voor IC-series is de schakeldrempel gelijk aan de vereiste voor ingangssignaalniveaus gespecificeerd door de ongelijkheden

De ruisimmuniteit van de IC-serie wordt gegeven in de tabel. 5.11, waaruit blijkt dat deze aanzienlijk hoger is dan die van de TTL-serie (zie Tabel 5.5). De grenswaarden van de parameters van de IC's van deze series worden aangegeven in de tabel. 5.12, en aanbevolen bedrijfsomstandigheden

(zie scan)

In tabel 5.13.

Geïntegreerde schakelingen uit de CMOS-serie, met dezelfde nummers (voor buitenlandse IC's) of dezelfde alfanumerieke aanduidingen (voor binnenlandse IC's, afzonderlijk in groepen van de series 176/561/564/1561 en 1564/1554), voeren dezelfde functies uit en vallen samen de lay-out van externe pinnen. In de toekomst zal in de tekeningen voor IC's uit de CMOS-serie de naam van het IC van slechts één specifieke serie worden aangegeven, hoewel soortgelijke IC's zich mogelijk ook in andere series bevinden.

Rijst. 5.29 (zie scan)

In afb. 5.29 presenteert LE AND-NOT, AND, NOT, OR-NOT en de som modulo twee, geproduceerd door de binnenlandse industrie. De grafische symbolen geven het aantal analogen van buitenlandse IC's aan. Logische elementen van de 176-serie worden getoond in Fig. 5.30 uur De toepassing werd hierboven besproken bij het beschrijven van zijn buitenlandse analoog: complementaire paren transistors, G - poort, drains van p-kanaal- en n-kanaaltransistors, SP en SN - bronnen

(klik om scan te bekijken)

p-kanaal- en n-kanaaltransistors). Buitenlandse LE's, die momenteel geen binnenlandse analogen hebben, worden getoond in Fig. 5.31 en 5.32.

Rijst. 5.32 (zie scan)

De parameters van de CMOS-serie IC worden gegeven in de tabel. , en in de tabel. A2.3 - parameters van de IC's uit de 4000-serie, waarmee in de eerste plaats rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van digitale apparaten en microprocessorapparaten. Parameters van de binnenlandse IC-series 176, 561 en 1561 zijn te vinden in naslagwerken, en IC-series 1554 - in. Nuttig referentiemateriaal over IC's uit de CMOS-serie is beschikbaar op.

Geïntegreerde schakelingen uit de serie 54.AC11000/74.AC11000.

Om het ruisniveau in snelle CMOS-IC's, dat optreedt bij het wisselen van LE's, te verminderen, verdient het de voorkeur om een ​​centrale locatie van de voedingspinnen op

chip, en de IC-uitgangen moeten zich aan de kant bevinden waar de gemeenschappelijke voedingspin (GND) zich bevindt. Het bedrijf heeft een serie uitgebracht waarbij het nummer AND de centrale locatie van de IC-voedingspinnen aangeeft, en de cijfers het serienummer van de IC aangeven, zoals in de andere series. 5.33 toont de LE van deze series.

SN54BCT/SN74BCT serie geïntegreerde schakelingen.

Zoals hierboven vermeld, worden de IC's van deze series vervaardigd met behulp van BiMOS-technologie. De ingangscircuits van het IC zijn gemaakt volgens het circuit getoond in Fig. 5.34a, waardoor de ingangen van deze IC's compatibel zijn met TTL-ingangssignaalniveaus.

Microprocessorsystemen gebruiken een groot aantal busdrivers en transceivers, en op elk gegeven moment bevindt de transceiver of driver van slechts één extern apparaat zich in de actieve toestand, en de rest bevindt zich in de Z-status. Stuurprogramma's en transceivers, geïmplementeerd met behulp van TTL-technologieën, verbruiken stroom in de Z-toestand van de uitgangen van dezelfde orde als in de actieve toestand van de uitgangen, hoewel ze niet het grootste deel van het nuttige werk verrichten.

Het belangrijkste doel van de ontwikkeling van BiMOS IC's was het sterk verminderen van het stroomverbruik in de Z-toestand van IC-uitgangen bedoeld voor het ontwerp van externe apparaten van microprocessorsystemen. In afb. toont het circuit - de status van de uitgang, gemaakt met behulp van BiMOS-technologie, het ingangscircuit getoond in Fig. 5.34,a).

Ongebruikte IC-ingangen.

Bij het ontwerpen van digitale apparaten op IC's mogen niet alle ingangen worden gebruikt. Gebaseerd op de werkingslogica van het apparaat dat wordt ontwikkeld, moet op deze ingangen logisch niveau 0 of niveau 1 worden toegepast. Logisch niveau 0 in zowel TTL- als CMOS-IC's wordt geleverd door een ongebruikte ingang op de behuizing aan te sluiten op ongebruikte ingangen door ze aan te sluiten op een bronvoedingsspanning (TTL IC) of (CMOS IC). Het wordt echter aanbevolen om de ingangen van de TTL IC's uit de 54/74-serie, die multi-emitter-transistors gebruiken, op de stroombron aan te sluiten via een stroombegrenzende weerstand ter bescherming tegen spanningspieken die bijvoorbeeld optreden wanneer de stroom wordt ingeschakeld.

CMOS (complementaire metaaloxide-halfgeleiderstructuur) is een technologie voor het construeren van elektronische schakelingen. In een meer algemeen geval - CMDC (met een metaal-isolator-halfgeleiderstructuur). Een onderscheidend kenmerk van CMOS-circuits vergeleken met bipolaire technologieën (TTL, ESL, enz.) is het zeer lage energieverbruik in de statische modus (in de meeste gevallen kan worden aangenomen dat energie alleen wordt verbruikt tijdens het schakelen tussen de toestanden )

De overgrote meerderheid van moderne logica-chips, inclusief processors, maakt gebruik van CMOS-circuits. CMOS-technologie maakt gebruik van veldeffecttransistors met geïsoleerde poort en kanalen met verschillende geleidbaarheid.

Bij apparaten op basis van CMOS-chips zijn anti-bounce-maatregelen die bekend zijn uit de ervaring met TTL-chips prima toepasbaar, bijvoorbeeld het inschakelen van een statische trigger op twee NAND- of NOR-elementen. De extreem hoge ingangsimpedantie van CMOS-chips (in de orde van honderden en duizenden mega-ohms) en de relatief hoge uitgangsimpedantie (honderden ohm tot één kilo-ohm) maken het echter mogelijk om de debounce-circuits te vereenvoudigen door weerstanden te elimineren. Een variant van het circuit is een apparaat dat is samengesteld uit slechts één niet-inverterend logisch element.

Hier moeten enkele woorden worden gezegd over niet-inverterende logische elementen van de CMOS-serie. De meeste logische elementen in deze reeksen zijn inverterend. Zoals hierboven vermeld, dienen microschakelingen met de letters "PU" in hun aanduiding om CMOS-microschakelingen te matchen met TTL-microschakelingen. Om deze reden kunnen hun uitgangsstromen, wanneer voedingsspanning wordt toegepast op hun uitgangen of de uitgangen zijn aangesloten op een gemeenschappelijke draad in het apparaat volgens circuits, vele tientallen milliampère bereiken, wat de betrouwbaarheid van de apparaten negatief beïnvloedt en kan dienen als een krachtige bron van interferentie. De hoge ingangsimpedantie van CMOS-microschakelingen maakt het in sommige gevallen mogelijk om helemaal geen actieve elementen voor debouncing te gebruiken.

De meest veelbelovende series zijn die gemaakt op complementaire MOS-transistors (CMOS) (K176, K564, enz.). Ze hebben geen belastingsweerstanden en MOS-transistors met verschillende elektrische geleidbaarheid van de kanalen fungeren als schakelaars. Wanneer de poortspanning groter is dan de drempelwaarde, wordt voor transistors met een kanaal van een bepaald type de overeenkomstige transistor ontgrendeld en de andere vergrendeld. Bij een andere waarde groter dan de drempelwaarde voor transistors met elektrische geleidbaarheid van het tegenovergestelde type wisselen de ontgrendelde en vergrendelde transistors van plaats. Dergelijke structuren werken met succes wanneer de voedingsspanning over een breed bereik varieert (van 3 tot 15 V), wat onhaalbaar is voor logische elementen die weerstanden bevatten. In de statische modus met hoge belastingsweerstand verbruiken logische CMOS-elementen vrijwel geen stroom.

Ze worden ook gekenmerkt door: stabiliteit van de ingangssignaalniveaus en het kleine verschil met de spanningen van de stroombron; hoge ingangs- en lage uitgangsweerstand; goede geluidsimmuniteit; gemakkelijke coördinatie met microschakelingen van andere series.

CMOS logische poorten die de 3 NAND-functie uitvoeren. Het maakt gebruik van geïnduceerde kanaaltransistoren. Transistoren VT1-VT3 hebben een -type kanaal en zijn open wanneer de poortspanning bijna nul is. Transistoren hebben een -type kanaal en zijn open bij poortspanningen groter dan de drempelwaarde.

Wanneer er op tenminste één van de ingangen van het logische element een nul-ingangssignaal is, is één van de transistors open en is de uitgangsspanning gelijk aan E. En alleen als er op alle ingangen een logisch één-signaal is (meestal gelijk aan E), alle transistors VT1 zijn gesloten en de transistors met laagaanschakeling zijn open. De uitgangsspanning is gelijk aan de gemeenschappelijke buspotentiaal (logisch 0). De combinatie van gelaagde verbinding van transistors met kanalen met één type elektrische geleidbaarheid en parallelle verbinding van transistors met kanalen met een ander type elektrische geleidbaarheid maakte het dus mogelijk om de NAND-functie te implementeren.

Als groepen gelaagde en parallel geschakelde transistors worden verwisseld, wordt een element gerealiseerd dat de functie vervult. Het werkt vergelijkbaar met het vorige. Transistoren zijn open als hun poorten logisch 1 zijn, en zijn vergrendeld als ingangssignalen logisch 0 zijn.

Uit de beschouwde circuits is het duidelijk dat in de statische modus een van de in serie geschakelde transistors altijd gesloten is en de andere open is. Omdat een gesloten transistor een hoge weerstand heeft, wordt de stroom in het circuit alleen bepaald door kleine waarden van lekstromen en verbruikt de microschakeling praktisch geen elektrisch vermogen.

Meestal wordt een circuit gebruikt als basisomvormer, geïnstalleerd op de LE-ingang. Om doorslag van de oxidefilm onder de poorten van MOS-transistors te voorkomen, wordt het invertercircuit meestal aangevuld met diodes die beschermende functies vervullen. De tijdconstante van deze componenten bedraagt ​​ongeveer 10 ns. Daarom verandert hun introductie de dynamische kenmerken van logische elementen niet significant. Wanneer statische spanningen van de ene of andere polariteit het ingangscircuit binnenkomen, openen de overeenkomstige diodes en kortsluiten ze de statische ladingsbron naar het voedingscircuit. De weerstand, die samen met de barrièrecapaciteiten van de diodes een integrerend circuit vormt, reduceert de snelheid waarmee de spanning aan de poort toeneemt tot een waarde waarbij de diodes VD2, VD3 de tijd hebben om te openen.

Als de spanningsbron een lage interne weerstand heeft, zal er een grote voorwaartse stroom door de diode stromen. Daarom moet bij het inschakelen van apparatuur met dergelijke logische elementen de voedingsspanning vóór het ingangssignaal worden geleverd, en bij het uitschakelen omgekeerd. In gevallen waarin enige prestatievermindering acceptabel is, kunnen weerstanden in het ingangscircuit worden opgenomen om het ingangsstroomniveau te beperken.

Om de steilheid van de overdrachtsfunctie te vergroten en de belastingscapaciteit te vergroten, zijn in een aantal microcircuits een of twee extra inverters aangesloten op de uitgang van de inverter van het logische element. De transistoren van de extra omvormer hebben een verhoogd vermogen. Hierdoor wordt de weerstand van de kanalen van de open uitgangstransistoren van de omvormer verlaagd van kOhm naar kOhm. Deze uitgangsweerstandswaarden maken het mogelijk om geen stroombegrenzende weerstanden in de uitgangscircuits te introduceren ter bescherming tegen kortsluiting aan de uitgang.

In logische CMOS-elementen worden elementen met drie stabiele toestanden uiterst eenvoudig geïmplementeerd. Om dit te doen, zijn twee complementaire transistoren die worden bestuurd door inverse signalen in serie geschakeld met de invertertransistoren. Als de transistors gesloten zijn wanneer signalen worden aangeboden, is de uitgangsweerstand van de omvormer hoog (de omvormer bevindt zich in de derde hoge impedantietoestand).

De derde toestand is aanwezig in individuele microschakelingen, bijvoorbeeld in logische elementen van het type, maar ook in complexe functionele eenheden van de CMOS-serie.

Het matchen van TTL-logische elementen met logische CMOS-elementen kan op verschillende manieren worden gedaan:

1) logische CMOS-elementen met lage spanningen, waarbij TTL-signalen van logische elementen transistoren van logische CMOS-elementen schakelen;

2) gebruik TTL-logische elementen met een open collector, waarvan het uitgangscircuit een weerstand bevat die is aangesloten op een extra spanningsbron;

3) gebruik niveau-omzettermicroschakelingen bij het matchen van CMOS-series met TTL-series en bij het matchen van TTL-series met CMOS-series).

Als het nodig is om het uitgangsvermogen te vergroten, is een parallelle aansluiting van meerdere microcircuits toegestaan. Om interferentie in het stroomcircuit te onderdrukken, zijn tussen de stroombussen een elektrolytische condensator met een capaciteit en parallelle keramische condensatoren met een capaciteit per behuizing aangesloten. Deze laatste zijn rechtstreeks verbonden met de uitgangen van de microschakelingen. De belastingscapaciteit mag in het algemeen niet overschreden worden. Als de belastingscapaciteit groter is, wordt een extra weerstand in serie met de uitgang geïnstalleerd, waardoor de overontladingsstroom wordt beperkt. Bij spanningspieken in het ingangssignaal kan in serie met de LE-ingang een begrenzingsweerstand met een nominale waarde van maximaal 10 kOhm worden aangesloten. Ongebruikte LE-ingangen moeten worden aangesloten op de voedingsbussen of parallel worden aangesloten op de aangesloten ingangen. Anders zijn storingen van het diëlektricum onder de poort en storingen als gevolg van de sterke invloed van interferentie mogelijk.

Kortsluiting van de uitgangsklemmen van microschakelingen is toegestaan ​​​​bij een lage voedingsspanning.

Let tijdens opslag en installatie op voor statische elektriciteit. Daarom zijn de terminals tijdens opslag elektrisch met elkaar verbonden. Hun installatie wordt uitgevoerd terwijl de voedingsspanning is uitgeschakeld en het gebruik van armbanden is verplicht, met behulp waarvan het lichaam van de elektriciens met de aarde is verbonden.

Logische elementen uit de CMOS-serie worden veel gebruikt bij de constructie van goedkope digitale apparaten met lage en gemiddelde snelheid. In de toekomst, naarmate hun productietechnologie verbetert, kunnen ze concurreren met TTL-logische elementen bij het maken van hogesnelheidsapparaten.

Bij het ontwerpen van sondes en kalibrators worden doorgaans korte-pulsgeneratoren gebruikt om een ​​signaal te produceren met een breed en uniform spectrum. Met zo'n signaal kunt u snel cascades van radioapparatuur controleren, zowel laagfrequent (LF) als hoogfrequent (HF). Bovendien geldt: hoe korter de pulsduur, hoe beter: het spectrum is breder en uniformer.

Dergelijke generatoren bestaan ​​​​in de regel uit twee hoofdcomponenten: de rechthoekige pulsgenerator zelf en de korte pulsvormer. Ondertussen kun je het doen zonder een speciale driver, omdat deze al aanwezig is in het logische element van de CMOS-structuurmicroschakeling.

Laten we naar het diagram kijken

Figuur 4 - RC-generator

Figuur 4 toont een bekende RC-generator, die in dit geval werkt op een frequentie van ongeveer 1000 Hz (dit hangt af van de nominale waarden van de onderdelen R1, C1). Een laagfrequent rechthoekig signaal wordt geleverd vanaf de uitgang van element DD1.2 (pin 4) via de R2C3-keten naar de variabele weerstand R4 - het regelt soepel de amplitude van het signaal dat wordt geleverd aan de te testen eenheid.

De uitvoer van het hoogfrequente signaal (korte pulsen) wordt enigszins ongebruikelijk gemaakt - het signaal wordt verwijderd van de variabele weerstand R3, verbonden met het stroomcircuit van de microschakeling. Door de schuifregelaar van deze weerstand te verplaatsen, wordt het niveau van het hoogfrequente uitgangssignaal soepel aangepast.

Laten we het werkingsprincipe van een dergelijke driver bekijken met behulp van een vereenvoudigd diagram van het logische element van de CMOS-structuur, weergegeven in figuur 5.

Figuur 5 - Vereenvoudigd diagram van een CMOS-poortstructuur

De basis bestaat uit twee veldeffecttransistors die in serie zijn geschakeld met een geïsoleerde poort en verschillende soorten kanaalgeleiding. Als weerstand R1 in serie is geschakeld met de transistors, en rechthoekige pulsen U1 worden aangeboden aan de ingang van het element, gebeurt het volgende (Fig. 3). Vanwege het feit dat de duur van het pulsfront niet oneindig klein kan zijn, evenals vanwege de traagheid van de transistors, zal er op het moment dat het front in werking treedt een moment komen waarop beide transistors zich in de open toestand zullen bevinden. Er zal een zogenaamde doorstroom doorheen stromen, waarvan de waarde kan variëren van eenheden tot tientallen milliampère, afhankelijk van het type microschakeling en de spanning van de stroombron. Over de weerstand worden korte spanningspulsen U2 gevormd. Bovendien, zowel ten tijde van het front als de recessie.

Met andere woorden: de frequentie van de oorspronkelijke pulsen zal verdubbelen.

De weerstand van de weerstand mag niet hoog zijn om verstoring van de bedrijfsmodus van de microschakelingselementen te voorkomen. Dit betekent dat op de hoogfrequente uitgang een laagohmige belasting met een weerstand van 50...75 Ohm kan worden aangesloten.

Voor de beschouwde generator is de maximale amplitude van pulsen aan de hoogfrequente uitgang 100...150 mV, en de stroom die door de stroombron wordt verbruikt, bedraagt ​​niet meer dan 1,6 mA. De generator is ontworpen voor gebruik bij het testen van AF-versterkers, luidsprekers met drie programma's en radio-ontvangers op de LW- en MW-banden.

CMOS-structuren

Een veldeffecttransistor is een halfgeleiderapparaat waardoor een stroom van hoofdladingsdragers stroomt, gereguleerd door een transversaal elektrisch veld, dat wordt gecreëerd door een spanning die wordt aangelegd tussen de gate en de drain of tussen de gate en de source.

Omdat het werkingsprincipe van veldeffecttransistoren gebaseerd is op de beweging van de hoofdladingsdragers van hetzelfde type (elektronen of gaten), worden dergelijke apparaten ook wel unipolair genoemd, waardoor ze worden vergeleken met bipolaire.

Veldeffecttransistoren worden geclassificeerd in apparaten met een p-n-besturingsovergang en met een geïsoleerde poort, de zogenaamde MOS-transistors (metal-diëlektrische halfgeleider), ook wel MOS-transistors (metal-oxide-semiconductor) genoemd, en de laatste zijn onderverdeeld in transistors met een ingebouwd kanaal en apparaten met een geïnduceerd kanaal.

De belangrijkste parameters van veldeffecttransistors zijn: ingangsweerstand, interne weerstand van de transistor, ook wel uitgang genoemd, steilheid van de drain-gate-karakteristiek, afsnijspanning en enkele andere.

Een veldeffecttransistor met een p-n-besturingsovergang is een veldeffecttransistor waarin een halfgeleiderplaat, bijvoorbeeld n-type, aan tegenoverliggende uiteinden elektroden (drain en source) heeft, met behulp waarvan deze is verbonden met de bestuurde circuit. Het stuurcircuit is verbonden met de derde elektrode (gate) en wordt gevormd door een gebied met een ander type geleidbaarheid, in dit geval p-type.

De stroombron in het ingangscircuit creëert een sperspanning op een enkele pn-overgang. De bron van versterkte oscillaties is ook opgenomen in het ingangscircuit. Wanneer de ingangsspanning verandert, verandert de sperspanning op de pn-overgang, en daarom verandert de dikte van de uitputtingslaag (n-kanaal), dat wil zeggen het dwarsdoorsnede-oppervlak van het gebied waardoor de hoofdstroom stroomt ladingdragers passen. Dit gebied wordt een kanaal genoemd.

Een onderscheidend kenmerk van de CMOS-structuur vergeleken met andere MOS-structuren (N-MOS, P-MOS) is de aanwezigheid van zowel n- als p-kanaal veldeffecttransistors; Als gevolg hiervan hebben CMOS-circuits een hogere werksnelheid en een lager energieverbruik, maar worden ze tegelijkertijd gekenmerkt door een complexer productieproces en een lagere verpakkingsdichtheid.

De logische niveaus van CMOS-microschakelingen met een voeding van vijf volt worden getoond in figuur 9.

De grenzen van logische nul- en één-niveaus voor CMOS-microschakelingen met een voeding van vijf volt worden getoond in Fig. 10.

Rijst. 10. Logische signaalniveaus aan de ingang van digitale CMOS-microschakelingen.

Uit figuur 10 blijkt dat de marge in responsniveaus om ruisimmuniteit voor CMOS te garanderen meer dan 1,1 V bedraagt. Dit is bijna drie keer meer dan voor TTL.

Wanneer de voedingsspanning afneemt, verschuiven de grenzen van de logische nul en de logische één evenredig met de verandering in de voedingsspanning.

CMOS-chipfamilies

De eerste CMOS-chips hadden geen beveiligingsdiodes aan de ingang, dus de installatie ervan leverde aanzienlijke problemen op. Dit is een familie van chips uit de K172-serie. De volgende verbeterde familie van chips uit de K176-serie ontving deze beschermende diodes. Het is tegenwoordig heel gebruikelijk. De K1561-serie (de buitenlandse analoog van deze microschakelingen is C4000B) voltooit de ontwikkeling van de eerste generatie CMOS-microschakelingen. In deze familie werd een snelheid van 90ns en een voedingsspanningsbereik van 3..15V behaald.

Een verdere ontwikkeling van CMOS-microschakelingen was de SN74HC-serie. Deze microschakelingen hebben geen binnenlandse analoog. Ze hebben een snelheid van 27 ns en kunnen werken in het spanningsbereik 2..6V. Ze vallen qua pinout en functioneel bereik samen met TTL-microschakelingen, maar zijn er op logische niveaus niet mee compatibel. Daarom werden tegelijkertijd microschakelingen uit de SN74HCT-serie (binnenlands analoog - K1564), compatibel met TTL-microschakelingen en op logische niveaus ontwikkeld.

Op dit moment was er een overgang naar drie volt voeding. Hiervoor zijn SN74ALVC-chips met een signaalvertragingstijd van 5,5 ns en een vermogensbereik van 1,65..3,6V ontwikkeld. Deze zelfde microschakelingen kunnen werken met een voeding van 2,5 volt. De signaalvertragingstijd neemt toe tot 9ns.

De meest veelbelovende familie van CMOS-microschakelingen wordt beschouwd als de SN74AUC-familie met een signaalvertragingstijd van 1,9 ns en een vermogensbereik van 0,8..2,7 V.

Digitale chips van emittergekoppelde logica Algemene informatie over ESL-imms

Geïntegreerde schakelingen gebaseerd op emitter-gekoppelde logica (ECL) zijn wijdverspreid geworden als elementaire basis voor snelle computers en elektronische apparatuur. Op ESL gebaseerde microschakelingen hebben een aantal voordelen die hen een voordeel geven ten opzichte van andere microschakelingen bij de constructie van deze klasse apparatuur:

1. Goede circuit- en technische volwassenheid en, als gevolg daarvan, relatief lage fabricagekosten.

Hoge prestaties bij gemiddeld stroomverbruik of ultrahoge prestaties bij hoog stroomverbruik.

Lage schakelenergie.

Hoge relatieve ruisimmuniteit.

Hoge stabiliteit van dynamische parameters bij het veranderen van de bedrijfstemperatuur en voedingsspanning.

Groot laadvermogen.

Onafhankelijkheid van stroomverbruik van schakelfrequentie.

Het vermogen van de IC om te werken op communicatielijnen en belastingen met lage impedantie.

Brede functionele set microschakelingen.

10. Gebruiksgemak in lay-outomstandigheden met hoge dichtheid met behulp van meerlaagse gedrukte bedrading en coaxiale en platte kabels met lage impedantie.

Momenteel zijn ESL IC's de snelste op silicium gebaseerde microschakelingen die door de industrie worden geproduceerd, zowel in ons land als in het buitenland. Uit ervaring met het ontwerpen van apparatuur blijkt dat het gebruik van ESL IC's optimaal is voor de constructie van snelle radio-elektronische apparaten, in het bijzonder snelle computers, en minder effectief bij de ontwikkeling van radio-elektronische apparaten met lage en middelmatige snelheid.

De hoge prestaties zijn te danken aan het feit dat de transistoren in deze elementen in een onverzadigde modus werken, waardoor de accumulatie en resorptie van minderheidsladingsdragers wordt geëlimineerd.

Structureel bevat het basiselement van de ESL: een referentiespanningsbron (VS), een stroomschakelaar (TS) en emittervolgers.

De ingangsstroomschakelaar is gebaseerd op een circuit met gecombineerde emitters (Fig. 11). De belangrijkste voordelen: constantheid van de totale emitterstroom / e = 1 uh 1 + I e2 tijdens het werk; beschikbaarheid van directe en inverse outputs U uit1, U uitgang2 .

Rijst. 11. Logisch basiselement ESL

Moderne digitale ESL-microschakelingen omvatten IC-series 100, K100, 500, K500, 1500, KI500.

Typische vertragingstijd van logische elementen van de K1550-serie IC is 0,7 ns, K500-serie 0,5...2 ns; serie 138 2,9 ns. ESL-microschakelingen zijn ruisongevoelig voor lage en hoge spanningsniveaus van minimaal 125 mV en 150 mV, de uitgangsspanningsspreiding op laag niveau is 145...150 mV, en het hoge niveau is 200 mV. Logische signaalamplitude U l tot 800 mV. In de IC 500-serie bedraagt ​​het integratieniveau maximaal 80 logische elementen op een chip; functionele set microschakelingen - 48 wijzigingen, vermogen verbruikt door het element P pot = 8...25 mW (in onbelaste toestand), verbruikte energie bij het schakelen van A = 50 pJ.

Het logische basiselement van de K500 IC vervult, vanwege de aanwezigheid van directe en inverse uitgangen, tegelijkertijd twee functies: OF-NIET En OF. In negatieve logica worden de functies uitgevoerd J/N-NIET. Het elektrische circuit van het ESL-basiselement bestaat uit drie circuits (Fig. 12): een stroomschakelaar (TS), uitgangsemittervolgers (EF) en een referentiespanningsbron (RP).

De stroomschakelaar is gebouwd op transistors V.T 1- V.T5 en weerstanden R1- R7 en is een differentiële versterker die in de sleutelmodus werkt en verschillende ingangen heeft. Een toename van het aantal TP-ingangen wordt bereikt door de parallelschakeling van extra ingangstransistors V.T 1- V.T 4.

Basis LE werkt als volgt. Wanneer toegepast op alle ingangen van het circuit XI- X4 ingangstransistoren met lage spanning (-1,7 V). V.T1- V.T4 gesloten, transistor V.T5 open omdat de spanning aan de basis staat U OP = -1,3 V hierboven.

Groot stroomverbruik en dissipatie zijn nadelen van ESL-microschakelingen, die een gevolg zijn van hun werking in een onverzadigde modus. Een klein logisch verschil verhoogt enerzijds de prestaties en vermindert anderzijds de immuniteit voor ruis.